計(jì)算機(jī)組成原理第三版蔣本珊第1章概論課件

計(jì)算機(jī)組成原理bs.jiang@163.com計(jì)算機(jī)組成1學(xué)習(xí)指南本課程的性質(zhì)

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的性質(zhì)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2本課程的地位本課程在計(jì)算機(jī)學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論數(shù)字電路學(xué)習(xí)指南北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院本課程的地位學(xué)習(xí)指南北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3學(xué)習(xí)指南本課程的任務(wù)討論單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機(jī)制。通過學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)，并為后繼課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的任務(wù)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。本課程的難點(diǎn)：各部件互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)，即整機(jī)概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計(jì)算機(jī)組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實(shí)例的關(guān)系。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。北京理工大學(xué)5學(xué)習(xí)指南

計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握上述專業(yè)基礎(chǔ)課程的概念、基本原理和方法，能夠運(yùn)用所學(xué)的基本原理和基本方法分析、判斷和解決有關(guān)理論問題和實(shí)際問題。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)45分 計(jì)算機(jī)組成原理45分 操作系統(tǒng)35分 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)25分北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南 計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組6學(xué)習(xí)指南考查目標(biāo)： 理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。 理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實(shí)現(xiàn)方法。 能夠綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南考查目標(biāo)：北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院7學(xué)習(xí)指南參考書唐朔飛，計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）高等教育出版社，北京，2008。蔣本珊，計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析（第3版），北京，清華大學(xué)出版社，2014。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南參考書北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院8第1章概論北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院9第1章

在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理，使大家對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一個(gè)簡單的整體概念，為今后深入討論各個(gè)部件打下基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討10第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)11

電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動、高速、準(zhǔn)確的對各種信息進(jìn)行處理和存儲的電子設(shè)備?？梢杂蟹请娮佑?jì)算機(jī)（如：光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等）?？梢杂蟹菙?shù)字計(jì)算機(jī)（如：模擬計(jì)算機(jī)）。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，121.1.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年2月問世的ENIAC。

ENIAC的設(shè)計(jì)開始于1943年,該機(jī)一直使用到1955年。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北131.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ENIAC的特點(diǎn)：采用十進(jìn)制20個(gè)10位的累加器用開關(guān)手動編程18,000個(gè)電子管重30噸占地170平方米耗電170KW5,000次/秒加法運(yùn)算

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ENIAC的特點(diǎn)：北京理工大141.1.2存儲程序概念美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼等人在1945年6月提出存儲程序概念。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1.2存儲程序概念1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京15存儲程序概念：⑴計(jì)算機(jī)（指硬件）應(yīng)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；⑵計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)；⑶將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計(jì)算機(jī)工作，這就是存儲程序的基本含義。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院存儲程序概念：1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)161.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制

EDVAC

馮·諾依曼設(shè)計(jì)的存儲程序計(jì)算機(jī)1951年誕生。

EDSAC事實(shí)上的第一臺存儲程序計(jì)算機(jī)1949年誕生。目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍建立在存儲程序概念的基礎(chǔ)上，稱馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、需求驅(qū)動的歸約計(jì)算機(jī)和模式匹配驅(qū)動的智能計(jì)算機(jī)等。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ED17第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)18中央處理器（CPU）

CPU=運(yùn)算器+控制器主機(jī)主機(jī)=中央處理器+主存儲器外部設(shè)備除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲器等）1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成注意北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中央處理器（CPU）1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成注意北京理工大學(xué)191.2計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機(jī)外設(shè)存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備201.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件

1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。

2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計(jì)算機(jī)。常用的有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件北京理工211.2計(jì)算機(jī)的硬件組成3.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個(gè)記憶裝置，也是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成3.存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院221.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢三級存儲系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢231.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)小大容量北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲241.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)貴賤價(jià)格/位北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲251.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器

主存儲器可由CPU直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器主存儲器主存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存261.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器設(shè)置在主機(jī)外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時(shí)不參與運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，需要時(shí)再傳送到主存。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器271.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器CacheCacheCache高速緩沖存儲器（Cache）

CPU可以直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器281.2計(jì)算機(jī)的硬件組成4.運(yùn)算器運(yùn)算器是對信息進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的運(yùn)算是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，因此運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU。運(yùn)算器中有若干個(gè)寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

5.控制器控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心?？刂破髦兄饕〞r(shí)序控制信號形成部件和一些專用的寄存器。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成4.運(yùn)算器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院291.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)。1.總線結(jié)構(gòu)（小、微型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)）目前許多計(jì)算機(jī)的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來的。

總線是一組能為多個(gè)部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時(shí)地發(fā)送與接收各部件的信息。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接北京理301.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

總線特點(diǎn)：

共享分時(shí)小型、微型機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以較小的硬件代價(jià)組成具有較強(qiáng)功能的系統(tǒng)，而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成總線特點(diǎn)：北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)311.2計(jì)算機(jī)的硬件組成接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)總線單總線結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)321.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

單總線并不是指只有一根信號線。系統(tǒng)總線按傳送信息的不同又可以細(xì)分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線（AddressBus）由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔ⅲ粩?shù)據(jù)總線（DataBus）由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)；控制總線（ControlBus）上傳輸?shù)氖强刂菩畔ⅲ–PU送出的控制命令和主存/外設(shè)反饋給CPU的狀態(tài)信號。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成單總線并不是331.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.大、中型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)更著重于系統(tǒng)功能的擴(kuò)大與效率的提高。通道是承擔(dān)I/O操作管理的主要部件，主機(jī)可以連接多個(gè)通道，每個(gè)通道可以接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個(gè)設(shè)備控制器又可接一臺或幾臺外部設(shè)備，這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.大、中型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)北京理工34第四級第三級第二級1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成主存CPU通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)主機(jī)…………………第一級北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第四級第三級第二級1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成主存CPU通道通道351.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

一般用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計(jì)算機(jī)361.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

專業(yè)用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成專業(yè)用戶觀察到371.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀381.2.4馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)思想1.馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2.4馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)思想1.2391.2計(jì)算機(jī)的硬件組成馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)北京理工402.哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內(nèi)容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2.哈佛結(jié)構(gòu)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院41哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其指令和數(shù)據(jù)分開組織和存儲的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。微機(jī)中的L1Cache采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，即分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效42哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)43第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)441.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件通常是指一切看得見，摸得到的設(shè)備實(shí)體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實(shí)際上是由一些算法以及其在計(jì)算機(jī)中的表示所構(gòu)成的。

注意北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系451.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關(guān)系硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設(shè)計(jì)人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價(jià)的。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關(guān)系北京理工大學(xué)計(jì)461.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

硬件軟化：原來由硬件實(shí)現(xiàn)的操作改由軟件來實(shí)現(xiàn)。它可以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和適應(yīng)性。軟件硬化：原來由軟件實(shí)現(xiàn)的操作改由硬件來實(shí)現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時(shí)間上的開銷。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟化：原來由硬471.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件。固件的性能指標(biāo)介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點(diǎn)，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)功能的固件化將成為計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)趨勢。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固件是指那些存儲在481.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.2系列機(jī)和軟件兼容系列機(jī)是指一個(gè)廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。系列機(jī)應(yīng)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性。軟件兼容：向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容√√北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.2系列機(jī)和軟件兼容√√北京理工大491.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院501.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)。微程序級（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語言級（實(shí)際機(jī)器）匯編語言級（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語言級（虛擬機(jī)器）高級語言級（虛擬機(jī)器）操作系統(tǒng)級（虛擬機(jī)器）硬操作時(shí)序（實(shí)際機(jī)器）第0級第1級第2級第3級第4級第5級第6級硬聯(lián)邏輯（實(shí)際機(jī)器）微程序級（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語言級（實(shí)際機(jī)器）操作系統(tǒng)級（虛擬機(jī)器）匯編語言級（虛擬機(jī)器）高級語言級（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語言級（虛擬機(jī)器）硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)微程序級511.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.4實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器對每一個(gè)機(jī)器級的用戶來說，都可以將此機(jī)器級看成是一臺獨(dú)立的使用自己特有的“機(jī)器語言”的機(jī)器。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)中，除第0、1、2級外，上面四級均為虛擬機(jī)。虛擬計(jì)算機(jī)是指這個(gè)計(jì)算機(jī)只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計(jì)算機(jī)，至于下層是如何工作和實(shí)現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡而言之，虛擬計(jì)算機(jī)是指以軟件或以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.4實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器北京理工大學(xué)52第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)531.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.1計(jì)算機(jī)的工作過程

將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行，以計(jì)算a+b-c=?為例加以說明。設(shè)a、b、c為已知的3個(gè)數(shù)，分別存放在主存的5～7號單元中，結(jié)果將存放在主存的8號單元。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.1計(jì)算機(jī)的工54000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b55000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)LOAD005aaa取數(shù)指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b56000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)LOAD005ADD006abaa+b加法指令ab北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b57000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bb1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)SUB007cca+b-c減法指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b58000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)STORE008a+b-ca+b-ca+b-c存數(shù)指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b59000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)HALT停機(jī)指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b601.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.2計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

1.機(jī)器字長

機(jī)器字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定的。在計(jì)算機(jī)中為了更靈活地表達(dá)和處理信息，許多計(jì)算機(jī)又以字節(jié)（Byte）為基本單位，一個(gè)字節(jié)等于8位二進(jìn)制位（bit）。不同的計(jì)算機(jī)，字（Word）可以不相同，但對于系列機(jī)來說，在同一系列中，字卻是固定的，如80X86系列中，一個(gè)字等于16位；IBM303X系列中，一個(gè)字等于32位。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.2計(jì)算機(jī)的主611.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)2.數(shù)據(jù)通路寬度

數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度。它影響到信息的傳送能力，從而影響計(jì)算機(jī)的有效處理速度。這里所說的數(shù)據(jù)通路寬度是指外部數(shù)據(jù)總線的寬度，它與CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線寬度（內(nèi)部寄存器的大小）有可能不同。內(nèi)、外數(shù)據(jù)通路寬度相等的CPU有：Intel8086、80286、80486等；外部＜內(nèi)部的CPU有：8088、80386SX等；外部＞內(nèi)部的CPU有：Pentium等。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)2.數(shù)據(jù)通路寬度北621.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)3.主存容量

一個(gè)主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主存容量。衡量主存容量單位有兩種：①字節(jié)數(shù)。這類計(jì)算機(jī)稱為字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)。每1024個(gè)字節(jié)稱為1K字節(jié)（210=1K），每1024K字節(jié)稱為1M字節(jié)（220=1M），每1024M字節(jié)稱為1G字節(jié)（230=1G），每1024G字節(jié)稱為1T字節(jié)（240=1T）。②字?jǐn)?shù)×字長。這類計(jì)算機(jī)稱為字編址的計(jì)算機(jī)。如：4096×16表示存儲器有4096個(gè)存儲單元，每個(gè)存儲單元字長為16位。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)3.主存容量北京理631.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)4.運(yùn)算速度(1)吞吐量和響應(yīng)時(shí)間 吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請求的數(shù)量。響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)對請求作出響應(yīng)的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間包括CPU時(shí)間（運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間）與等待時(shí)間（用于磁盤訪問、存儲器訪問、I/O操作、操作系統(tǒng)開銷等時(shí)間）的總和。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)4.運(yùn)算速度北京理64(2)主頻和CPU時(shí)鐘周期

CPU的主頻又稱為時(shí)鐘頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號振蕩的速度。主頻的倒數(shù)就是CPU時(shí)鐘周期，這是CPU中最小的時(shí)間元素。(3)CPI CPI（CyclesperInstruction）就是每條指令執(zhí)行所用的時(shí)鐘周期數(shù)。1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院(2)主頻和CPU時(shí)鐘周期1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能651.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)(4)MIPS和MFLOPS MIPS表示每秒百萬條指令。

MFLOPS每秒表示百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。

MIPS==

MFLOPS=

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)(4)MIPS和M66第1章小結(jié)1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制存儲程序概念主機(jī)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)的五大基本部件總線結(jié)構(gòu)大、中型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章小結(jié)1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算67第1章小結(jié)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件的關(guān)系系列機(jī)概念軟件兼容固件的概念虛擬機(jī)概念1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)機(jī)器字長、數(shù)據(jù)通路寬度、主存容量北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章小結(jié)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院68計(jì)算機(jī)組成原理bs.jiang@163.com計(jì)算機(jī)組成69學(xué)習(xí)指南本課程的性質(zhì)

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的性質(zhì)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院70本課程的地位本課程在計(jì)算機(jī)學(xué)科中處于承上啟下的地位，要求先修的課程有：

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論數(shù)字電路學(xué)習(xí)指南北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院本課程的地位學(xué)習(xí)指南北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院71學(xué)習(xí)指南本課程的任務(wù)討論單機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機(jī)制。通過學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)，并為后繼課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的任務(wù)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院72學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。本課程的難點(diǎn)：各部件互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)，即整機(jī)概念的建立。本課程的深廣度：主要討論計(jì)算機(jī)組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實(shí)例的關(guān)系。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：五大基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)。北京理工大學(xué)73學(xué)習(xí)指南

計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握上述專業(yè)基礎(chǔ)課程的概念、基本原理和方法，能夠運(yùn)用所學(xué)的基本原理和基本方法分析、判斷和解決有關(guān)理論問題和實(shí)際問題。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)45分 計(jì)算機(jī)組成原理45分 操作系統(tǒng)35分 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)25分北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南 計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組74學(xué)習(xí)指南考查目標(biāo)： 理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。 理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實(shí)現(xiàn)方法。 能夠綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南考查目標(biāo)：北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院75學(xué)習(xí)指南參考書唐朔飛，計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）高等教育出版社，北京，2008。蔣本珊，計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析（第3版），北京，清華大學(xué)出版社，2014。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)指南參考書北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院76第1章概論北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院77第1章

在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討論計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理，使大家對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)先有一個(gè)簡單的整體概念，為今后深入討論各個(gè)部件打下基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章在本章中我們將從存儲程序的概念入手，討78第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)79

電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動、高速、準(zhǔn)確的對各種信息進(jìn)行處理和存儲的電子設(shè)備?？梢杂蟹请娮佑?jì)算機(jī)（如：光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等）?？梢杂蟹菙?shù)字計(jì)算機(jī)（如：模擬計(jì)算機(jī)）。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，801.1.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年2月問世的ENIAC。

ENIAC的設(shè)計(jì)開始于1943年,該機(jī)一直使用到1955年。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1.1電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北811.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ENIAC的特點(diǎn)：采用十進(jìn)制20個(gè)10位的累加器用開關(guān)手動編程18,000個(gè)電子管重30噸占地170平方米耗電170KW5,000次/秒加法運(yùn)算

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ENIAC的特點(diǎn)：北京理工大821.1.2存儲程序概念美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼等人在1945年6月提出存儲程序概念。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1.2存儲程序概念1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京83存儲程序概念：⑴計(jì)算機(jī)（指硬件）應(yīng)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；⑵計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)；⑶將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，然后再啟動計(jì)算機(jī)工作，這就是存儲程序的基本含義。1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院存儲程序概念：1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)841.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制

EDVAC

馮·諾依曼設(shè)計(jì)的存儲程序計(jì)算機(jī)1951年誕生。

EDSAC事實(shí)上的第一臺存儲程序計(jì)算機(jī)1949年誕生。目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍建立在存儲程序概念的基礎(chǔ)上，稱馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。也出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱非馮結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，如：數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、需求驅(qū)動的歸約計(jì)算機(jī)和模式匹配驅(qū)動的智能計(jì)算機(jī)等。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制ED85第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)86中央處理器（CPU）

CPU=運(yùn)算器+控制器主機(jī)主機(jī)=中央處理器+主存儲器外部設(shè)備除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲器等）1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成注意北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中央處理器（CPU）1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成注意北京理工大學(xué)871.2計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機(jī)外設(shè)存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備881.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件

1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。

2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計(jì)算機(jī)。常用的有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.1計(jì)算機(jī)的主要部件北京理工891.2計(jì)算機(jī)的硬件組成3.存儲器存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個(gè)記憶裝置，也是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成3.存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院901.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢三級存儲系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器速度快慢911.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)小大容量北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲921.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲系統(tǒng)貴賤價(jià)格/位北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器三級存儲931.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器

主存儲器可由CPU直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器主存儲器主存儲器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存941.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器設(shè)置在主機(jī)外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時(shí)不參與運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，需要時(shí)再傳送到主存。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器951.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器CacheCacheCache高速緩沖存儲器（Cache）

CPU可以直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分（副本），以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲器輔助存儲器主存儲器961.2計(jì)算機(jī)的硬件組成4.運(yùn)算器運(yùn)算器是對信息進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的運(yùn)算是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，因此運(yùn)算器的核心是算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU。運(yùn)算器中有若干個(gè)寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

5.控制器控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心。控制器中主要包括時(shí)序控制信號形成部件和一些專用的寄存器。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成4.運(yùn)算器北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院971.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)。1.總線結(jié)構(gòu)（小、微型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)）目前許多計(jì)算機(jī)的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來的。

總線是一組能為多個(gè)部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時(shí)地發(fā)送與接收各部件的信息。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.2各大部件之間的連接北京理981.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

總線特點(diǎn)：

共享分時(shí)小型、微型機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以較小的硬件代價(jià)組成具有較強(qiáng)功能的系統(tǒng)，而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成總線特點(diǎn)：北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)991.2計(jì)算機(jī)的硬件組成接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)總線單總線結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成接口接口外設(shè)外設(shè)…CPU主存儲器系統(tǒng)1001.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

單總線并不是指只有一根信號線。系統(tǒng)總線按傳送信息的不同又可以細(xì)分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線（AddressBus）由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔?；?shù)據(jù)總線（DataBus）由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)；控制總線（ControlBus）上傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設(shè)反饋給CPU的狀態(tài)信號。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成單總線并不是1011.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.大、中型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)更著重于系統(tǒng)功能的擴(kuò)大與效率的提高。通道是承擔(dān)I/O操作管理的主要部件，主機(jī)可以連接多個(gè)通道，每個(gè)通道可以接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個(gè)設(shè)備控制器又可接一臺或幾臺外部設(shè)備，這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.大、中型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)北京理工102第四級第三級第二級1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成主存CPU通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)主機(jī)…………………第一級北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第四級第三級第二級1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成主存CPU通道通道1031.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

一般用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.2.3不同對象觀察到的計(jì)算機(jī)1041.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

專業(yè)用戶觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成專業(yè)用戶觀察到1051.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者觀1061.2.4馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)思想1.馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置。使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器有很多。如Intel公司的80X86、ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS等都采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2.4馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)思想1.21071.2計(jì)算機(jī)的硬件組成馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)北京理工1082.哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。CPU首先到指令存儲器中讀取指令內(nèi)容，譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2.哈佛結(jié)構(gòu)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院109哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其指令和數(shù)據(jù)分開組織和存儲的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器也有很多，如MOTOROLA公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。微機(jī)中的L1Cache采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，即分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院哈佛結(jié)構(gòu)的處理器通常具有較高的執(zhí)行效110哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成北京理工大學(xué)計(jì)111第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)1121.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件通常是指一切看得見，摸得到的設(shè)備實(shí)體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實(shí)際上是由一些算法以及其在計(jì)算機(jī)中的表示所構(gòu)成的。

注意北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系1131.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關(guān)系硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的硬件和軟件正朝著互相滲透，互相融合的方向發(fā)展，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線。硬件和軟件之間的界面是浮動的，對于程序設(shè)計(jì)人員來說，硬件和軟件在邏輯上是等價(jià)的。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1硬件與軟件的關(guān)系北京理工大學(xué)計(jì)1141.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

硬件軟化：原來由硬件實(shí)現(xiàn)的操作改由軟件來實(shí)現(xiàn)。它可以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和適應(yīng)性。軟件硬化：原來由軟件實(shí)現(xiàn)的操作改由硬件來實(shí)現(xiàn)。它可以顯著降低軟件在時(shí)間上的開銷。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟化：原來由硬1151.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

固件是指那些存儲在能永久保存信息的器件（如ROM）中的程序，是具有軟件功能的硬件。固件的性能指標(biāo)介于硬件與軟件之間，吸收了軟、硬件各自的優(yōu)點(diǎn)，其執(zhí)行速度快于軟件，靈活性優(yōu)于硬件，是軟、硬件結(jié)合的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)功能的固件化將成為計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)趨勢。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固件是指那些存儲在1161.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.2系列機(jī)和軟件兼容系列機(jī)是指一個(gè)廠家生產(chǎn)的，具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。系列機(jī)應(yīng)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、中斷系統(tǒng)、控制方式、輸入/輸出操作方式等方面保持統(tǒng)一，從而保證軟件的兼容性。軟件兼容：向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容√√北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.2系列機(jī)和軟件兼容√√北京理工大1171.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1181.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)硬件與軟件組成的綜合體，我們可以把它看成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)。微程序級（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語言級（實(shí)際機(jī)器）匯編語言級（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語言級（虛擬機(jī)器）高級語言級（虛擬機(jī)器）操作系統(tǒng)級（虛擬機(jī)器）硬操作時(shí)序（實(shí)際機(jī)器）第0級第1級第2級第3級第4級第5級第6級硬聯(lián)邏輯（實(shí)際機(jī)器）微程序級（實(shí)際機(jī)器）機(jī)器語言級（實(shí)際機(jī)器）操作系統(tǒng)級（虛擬機(jī)器）匯編語言級（虛擬機(jī)器）高級語言級（虛擬機(jī)器）應(yīng)用語言級（虛擬機(jī)器）硬聯(lián)邏輯微程序操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序應(yīng)用程序北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)微程序級1191.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.4實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器對每一個(gè)機(jī)器級的用戶來說，都可以將此機(jī)器級看成是一臺獨(dú)立的使用自己特有的“機(jī)器語言”的機(jī)器。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)中，除第0、1、2級外，上面四級均為虛擬機(jī)。虛擬計(jì)算機(jī)是指這個(gè)計(jì)算機(jī)只對該級的觀察者存在。對某一層次的觀察者來說，他只能是通過該層次的語言來了解和使用計(jì)算機(jī)，至于下層是如何工作和實(shí)現(xiàn)的就不必關(guān)心了。簡而言之，虛擬計(jì)算機(jī)是指以軟件或以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.4實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器北京理工大學(xué)120第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制1.2計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第1章1.1電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)1211.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.1計(jì)算機(jī)的工作過程

將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行，以計(jì)算a+b-c=?為例加以說明。設(shè)a、b、c為已知的3個(gè)數(shù)，分別存放在主存的5～7號單元中，結(jié)果將存放在主存的8號單元。北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4.1計(jì)算機(jī)的工122000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b123000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)LOAD005aaa取數(shù)指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b124000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)LOAD005ADD006abaa+b加法指令ab北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b125000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bb1.4計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)SUB007cca+b-c減法指令北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院000001002003005006007008004主存b126000001002003005006